Design and experimental realization of a quantum-correlated photon-pair source

Correlated and entangled photon pairs constitute a fundamental resource for quantum technologies, enabling applications ranging from quantum communication, cryptography, sensing and imaging, to precision measurements beyond conventional limits imposed by shot noise fluctuations. Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC) is one of the most versatile and reliable nonlinear optical process for producing photon pairs. In this thesis, we report on the theoretical modelling, experimental realization and optical benchmarking of a photon-pair source based on SPDC in a beta-barium borate (BBO) nonlinear crystal. Under appropriate phase-matching conditions, the source generates pairs of photons exhibiting strong correlations in time, energy, and momentum, arising from energy and momentum conservation in the nonlinear interaction. The choice of BBO enables a straightforward integration of the source with standard free-space optical and spectroscopic setups, owing to its wide transparency window, robust phase-matching properties, and well-established use in conventional nonlinear and ultrafast spectroscopy, in view of potential extension of time-resolved schemes to the quantum realm.

Le coppie di fotoni correlati ed entangled costituiscono una risorsa fondamentale per le tecnologie quantistiche, consentendo applicazioni che spaziano dalla comunicazione e crittografia quantistica, al sensing e all’imaging, fino a misure di precisione oltre i limiti convenzionali imposti dalle fluttuazioni di shot noise. La Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC) è uno dei processi ottici nonlineari più versatili e affidabili per la generazione di coppie di fotoni. In questa tesi riportiamo la modellizzazione teorica, la realizzazione sperimentale e la caratterizzazione ottica di una sorgente quantistica di coppie di fotoni correlati basata su SPDC in un cristallo nonlineare di beta-borato di bario (BBO). In opportune condizioni di phase-matching, la sorgente genera coppie di fotoni che mostrano forti correlazioni temporali, energetiche e di momento, originate dalla conservazione dell’energia e del momento nell’interazione nonlineare. La scelta del BBO consente un'integrazione diretta della sorgente di luce quantistica con setup ottici in spazio libero e apparati spettroscopici standard, grazie alla sua ampia finestra di trasparenza, alle robuste proprietà di phase matching e al suo utilizzo consolidato nella spettroscopia nonlineare e ultraveloce convenzionale, in vista di una possibile estensione degli schemi time-resolved alla luce quantistica.